盖挖地铁车站钢管柱垂直度控制关键技术

王蒙　张泽鑫　王斌阳

【摘    要】： 超深基坑竖向立柱的垂直度问题是逆作法施工的难点，以天津地铁7号线5标段天塔站超深基坑盖挖逆作车站结构为工程为例，分析钢管柱与工具柱连接控制、工具柱椭圆度控制、优化钢管柱调整下插的综合变形等关键技术。

【关键词】： 钢管柱；垂直度；盖挖逆作法；地铁车站；超深基坑

【中图分类号】：U231.3【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）05-40-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.010

Key Technology for Verticality Control of Steel Pipe Column in Covered

Excavation Metro Station

WANG Meng， ZHANG Zexin， WANG Binyang

（China Construction Sixth Engineering Bureau Corp.Ltd.， Tianjin 300012， China）

【Abstract】：The verticality of the vertical column of the ultra deep foundation pit is a key difficulty in the construction of the reverse construction method. Taking the cover excavation of the ultra deep foundation pit of Tianta station in the fifth bid section of Tianjin Metro Line 7 as an engineering case， through discussion， analysis and summary， the key technology to control the verticality of the steel tube column is to strengthen the control of the connection between the steel tube column and the tool column， control the ovality of the tool column， and optimize the adjustment and insertion of the steel tube column.

【Key words】：steel pipe column；  verticality control； cover excavation reverse method; metro station; super deep fundation pit

地铁车站盖挖逆作法施工过程中一般采用钢立柱作为竖向支撑结构，钢立柱与车站桩基础使用1柱1桩嵌固式连接工艺，施工阶段将车站所受竖向荷载传递至基坑下部桩基础，使用阶段与车站框架结构共同承担浮力作用。作为永久结构使用的中间竖向支撑系统支撑柱的允许定位偏差≯20 mm，同时其垂直度偏差也不宜＞1/500[1]。

国内针对结构柱垂直度控制進行了相关研究。王静民[2]对高层建筑不满足混凝土强度要求的部分混凝土柱、梁、墙等进行整体置换处理，通过设置临时钢支撑，分批置换混凝土竖向构件和水平构件。卜良桃等[3]确保置换处理混凝土柱时上部结构和施工操作的安全，通过测量支撑结构及被置换结构在卸载过程中发生的应变准备，反映被置换混凝土部位结构的内力、变形等，为置换处理提供依据。袁茂生等[4]对某高层地下室钢管柱的置换加固方案进行说明。石开荣等[5]采用搭设托梁反顶修复平台，对偏位钢管柱顶升卸载后进行拆除后重新安装钢管柱。牛斌[6]对某一地铁车站钢管柱置换处理方案进行说明。

以上主要是针对地上建筑结构柱垂直度超限或其他原因需置换处理的研究，均是在施工柱体完成后发现并处理；针对地下地铁车站盖挖逆作法钢管柱垂直度控制，尤其是事前及过程控制未见相关研究。本文以实际工程为例，提出一种施工方便、经济实用、精确度高的垂直度控制关键技术。

1 工程概况

天津地铁7号线天塔站主体结构采用盖挖逆作法施工，后插法钢管混凝土柱作为永久中立柱。施工范围内一共涉及59根钢管柱，直径1 000 mm、长28.05～30.01 m，采用C50自密实混凝土，钢材为Q355B，钢管柱吊装就位后立即进行校正，要求标高偏差≤10 mm，圆心偏差≤5 mm，垂直度偏差≯1/500。

2 钢管柱垂直度变形分析

钢管柱设计长细比偏大，在桩基混凝土凝结前刚度不足，如果垂直度偏差过大，后续主体结构梁柱节点承载力不足；若在桩基混凝土凝结前仍未调整完成将出现废桩，造成工期延误和材料机械费用损失。

钢管柱需一次下插至桩基缓凝混凝土内作永久立柱使用，施工精度要求极高，施工窗口期极短。施工过程中影响钢管柱垂直精度的因素：钢管柱制作加工、钢管柱与工具柱连接、工具柱椭圆度变形控制、旋挖钻孔施工、桩基钢筋笼吊装下放、混凝土浇筑、钢管柱吊装下放、钢管柱调整下插。

3 控制关键技术

3.1 钢管柱制作加工

柱体为2.2 m×7.5 m的钢板，采用对接熔透焊接工艺，预留制作时的焊接收缩量和切割余量，弯曲卷制调圆过程中保证结构椭圆度不超过3D/1 000（D为钢管直径）。对接前，根据加工图中各构件、法兰尺寸、位置关系，调节机床各滚轴高度位置，使各构件、法兰圆心拟合计算为一条平行于机床轴线的直线。为保证钢管柱整体垂直度，将各构件预拼装完成后，复核测量各构件、法兰垂直度。

焊接过程中，钢管会由于受热不均匀出现变形，即使冷却后仍有残余变形。为保证成型柱体垂直度，对接焊接过程中多次测量空间拟合圆度，实时检测每次拼接完成的结构垂直度，根据测量结果适时调整焊接参数，焊接后做整体垂直度检测。

3.2 钢管柱与工具柱连接

管柱外径为1 000 mm，工具柱外径为1 680 mm，假定中心处于同一轴线，两者任意边线相差340 mm。

工具柱和钢管柱对接前，先对拼接平台位置进行测量放样复核。通过调整钢管柱各支座高度，保持钢管柱支座水平后吊入钢管柱，再调节工具柱支座使工具柱水平，通过全站仪测量钢管柱两端同一水平位置的边线坐标（x₁，y₁）、（x₁，y₂）。用两坐标拟合一条默认水平直线函数，调节工具柱位置，使工具柱两端坐标与钢管柱函数差值处于（340±5）mm，完成后进行对接固定以及防水胶封堵处理。见图1。

3.3 工具柱椭圆度变形控制

在钢管柱吊装立直后，由工具柱上部吊点承受钢管柱全部重量；工具柱下部使用高强螺栓（130 mm×33 mm）与钢管柱连接。工具柱上下口由于应力集中，会发生张拉变形。在钢管柱下插至设计标高以上6 m时，是完全通过测量工具柱来判断柱体垂直度、中心位置情况，因此工具柱能否和钢管柱拟合模拟为空间同心圆对钢管柱下插质量很关键。

每次钢管柱施工前，对工具柱进行上下口拟合空间圆度测量，施工完成拔除工具柱再次测量，要求工具柱局部变形≤5 mm，偏差过大会影响空间圆拟合结果，需更换符合要求的工具柱。

3.4 旋挖钻孔施工

3.4.1 钻孔垂直度控制

采用SR 360E旋挖钻机。根据已完成地下连续墙施工经验，现场需要应对粉砂、黏土层交替出现的情况。为防止钻进过程受力不均，出现偏斜、钻孔坍塌、垂直度超限的问题，采用摩阻钻杆，每节17.7 m，下钻控制动力头扭矩。在钻进过程中每25、35、45、55、65 m进行一次超声波成孔检测，根据检测结果及时调整旋挖钻头钻压、转速和动力头压力，防止由于地质土层不平衡导致下钻偏斜。

3.4.2 钻孔泥浆性能控制

根据已施工地下连续墙泥浆控制经验及地勘报告，钻孔过程穿越?4粉砂层至?1粉砂层过程中泥浆含砂率会明显升高，为稳定槽壁、保证垂直度，需要将泥浆密度适当调高，控制在1.15～1.25 kg/m³；吊装下放钢筋笼后，为保证桩基础混凝土浇筑质量，需要降低泥浆密度及含砂率，通过导管正循环法注入密度为1..05～1.10 kg/m³、含砂率≤3%的新浆。

混凝土灌注过程中泥浆和混凝土表面接触，混凝土中钙离子会与泥浆中离子发生化学反应，导致泥浆絮凝，不利于悬浮和携带泥砂颗粒上升，影响桩基混凝土浇筑质量。因此在制备钻孔泥浆、循环泥浆时，增加一定量的分散剂，控制其黏度≥25 s，起到防止槽孔坍塌的作用。

3.5 钢筋笼吊装下放及混凝土浇筑

原方案中桩顶位于结构底板底，桩顶以上至地面范围内的空桩部分设有副钢筋笼，副笼主筋为8根与主笼主筋同直径的钢筋，内设?25 mm@2 000 mm的加强箍，外设?12 mm@500 mm的箍筋。钢管柱下插入工程桩過程中，需穿过副笼部分。见图2。

该方案的难点在于：

1）副笼内加强箍内径为1 922 mm，钢管柱柱身附着的法兰直径最大处为1 600 mm，钢管柱与副笼间理论净距为161 mm；同时，用于工程桩桩身完整性检测的声测管和桩侧注浆的注浆管在空桩部分也依附固定在副笼内侧并延伸至现状地面，实际钢管柱与副笼间净距仅为111 mm；钢管柱下插穿过副笼时垂直度及桩心位置精度要求高，施工难度较大；

2）车站中间桩柱空桩范围内的副笼直径为2 060 mm，长度为28～30 m，主筋数量仅8根，钢筋笼整体稳定性较差，在双机抬吊过程中易发生扭曲、变形，不易下放到位，下放的副笼若存在变形，钢管柱下插穿过副笼时可能卡死在副笼变形位置；

3）副笼与主笼焊接及主副笼内声测管注浆管连接施工耗时较长，副笼长时间悬吊存在安全隐患。

通过核算主笼钢筋笼重量及计算钢筋抗拉承载力，取消空桩范围内的副钢筋笼，采用2根与主筋同直径的吊筋连接主笼进行钢筋笼下放安装，也能够满足施工要求，省去原来主副笼连接的时间。

根据工期，钢管柱施工处于夏季，由于混凝土凝结时间受温度影响大，施工前进行试验，优化桩基混凝土配合比，最终控制初凝时间40 h，终凝时间达48 h以上。在后续施工中控制混凝土质量，确保钢管柱在下插到位前桩基超缓凝混凝土均未初凝。为保证桩顶混凝土质量达到要求且考虑到钢管柱下插至混凝土液面后所用调整时间，最终控制其超灌高度为1 m，钢管柱插入混凝土总深为4.47～5.5 m。

3.6 钢管柱吊装下放

1）对成孔桩进行桩位点复测，将平台垫板铺设好。

2）使用全站仪进行轴线引测，保证承台定位准确，再由承台中心引出4个十字方向控制点。测量测定桩位后，做好标识并注意保护。吊装HPE液压插入机平台，保证平台水平，平台中心与钻孔中心点精确对中。

3）安放HPE液压插入机，就位后使用机器上安放的定点式水平位移计对HPE液压插入机进行水平调整和精确对位，同时复测平台的水平度，确保平台，桩位点，HPE液压插入机中心点3点共线。

4）准备工作就绪后使用履带吊对钢管柱进行抬吊，工具柱总长度为39.01 m，根据现场钢管桩尺寸及施工经验，共布置6个吊点，在工具柱顶端对称布置2个主吊点，副吊点在钢管柱下方两个法兰盘上同一水平面布置2个吊点。

3.7 钢管柱调整下插

1）在钢管柱吊装下放至HPE液压插入机时，用全站仪在钢管柱的x、y方向设站。

2）钢管柱吊装下放至HPE液压插入机平台抱箍可以固定工具柱下端时，抱住工具柱。

3）使用全站仪分别在工具柱上下端口测得同一高程的坐标数据进行空间圆拟合，根据拟合所得的工具柱圆心位置调整工具柱的平面位置及垂直度，直至工具柱平面位置、垂直度复核设计要求限值（平面位置≤±5 mm，垂直度≤1/500）。

4）把安装在工具柱上口内壁的测斜仪数据调整至默认垂直位置（默认x、y轴斜率为0）。

5）下插钢管柱，在插入过程中根据测斜仪及全站仪放样数据实时调整钢管柱的垂直度和平面位置。

6）在钢管柱插入混凝土液面时，因阻力增加发生钢管柱、平台微小偏移，为保证钢管柱施工质量，应将钢管柱纠偏完成再下插。

7）插入完成后使用全站仪复核工具柱平面位置、垂直度及高程，再使用水准仪二次复核工具柱顶标高，根据测得数据进行钢管柱微调，调整完成后进行三次复核，复测拟合数据收敛于设计规范限值内，钢管柱施工插入完毕。

4 结语

工具柱与钢管柱是在地面对接，对接后将其起吊、就位，起吊后无法复核钢管柱工具柱对接垂直度控制情况；因此必须在地面对接时在规范允许范围内尽量减小偏差值，以防起吊后偏差增大。

加强钢管柱與工具柱连接控制、工具柱椭圆度控制、优化钢管柱调整下插的综合变形控制是控制钢管柱垂直度的关键技术。通过施工现场实践，验证了该方案的有效性。

参考文献：

[1]GB 50157—2013，地铁设计规范[S].

[2]王静民.杭州某高层建筑墙柱整体置换设计[J].建筑结构，2015，45（17）：37-39.

[3]卜良桃，李易越，刘雄.分期置换混凝土框架柱工程实例[J]. 工业建筑，2011，41（10）：119-122.

[4]袁茂生，林力勋，袁成，等. 某超高层建筑钢管高强混凝土柱置换加固技术[J]. 施工技术，2014，43（10）：46-49.

[5]石开荣，谢庆华，姜正荣，等. 高大钢管混凝土柱托梁反顶修复技术研究[J]. 钢结构，2017，32（7）：77-81.

[6]牛斌. 盖挖逆作车站钢管混凝土柱置换技术研究[J]. 隧道建筑（中英文），2021，41（6）：1032-1038.